洛阳市植烟区生态环境聚类及烟叶化学成分分析

董洪旭 董昆乐 宋纪真 刘芳 郭建华 赵世民

摘要 [目的]分析不同生态环境烟叶的化学成分差异性及适宜性。[方法]以降雨、海拔和日照条件为因子，对洛阳市烟区生态环境进行系统聚类，并抽取34个样品分析了不同生态环境中烟叶的化学成分含量及适宜性。[结果]与2015年全国平均含量相比，洛阳市烟叶的总植物碱、总氮和钾含量较低，淀粉和游离氨基酸含量略高，样品间氯含量、钾氯比和糖碱比变异较大；聚类分析将洛阳市烟区划分为A、B、C、D 4类小生态环境烟区；A类烟区烟叶的总植物碱、氯含量相对较高，D类烟区烟叶的钾氯比、糖碱比和氮碱比相对较高；4类烟区烟叶的总植物碱、总氮、游离氨基酸含量和氮碱比适宜性较好，碳水化合物含量高出适宜范围，糖碱比例不协调，钾、氯含量偏低。[结论]总体来看，A类烟区烟叶化学成分适宜性最佳。

关键词 烤烟；生态环境；化学成分

中图分类号 TS41+1 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）04-0021-04

Cluster Analysis of Ecological Environment and Analysis of Chemical Compositions of Tobacco Leaf in Tobacco Planting Area of Luoyang City

DONG Hong-xu1，DONG Kun-le2，SONG Ji-zhen1 ，ZHAO Shi-min2* et al

（1. Zhengzhou Tobacco Research Institute of CNTC，Zhengzhou，Henan 450001； 2. Luoyang Branch，Henan Provincial Tobacco Company，Luoyang，Henan 471000）

Abstract [Objective] Differences between the chemical compositions and suitability of tobacco leaves in different ecological environments were analyzed.[Method]The ecological environment of tobacco growing in Luoyang City was cluster based on the factors of rainfall，altitude and sunshine，and 34 samples were collected to analyze the content and suitability of the chemical components of tobacco leaves in different ecological environments. [Result]The results showed that compared with the national average in 2015，the total alkaloid，nitrogen and potassium content of Luoyang Citys tobacco leaves were lower，however，starch and total free amino acids were slightly higher. And the variation coefficient of chlorine content，ratio of potassium to chlorine and ratio of sugar to nicotine among samples was larger than other indices. The cluster analysis divided the Luoyang tobacco growing area into four kinds of small ecological environment whitch were called kind A，kind B，kind C and kind D. The total alkaloid and chlorine content were relatively high in leaves of kind A， ratio of potassium to chlorine，ratio of reducing sugar to nicotine and ratio of nitrogen to nicotine were relatively high in leaves of kind D.In four kinds of tobacco growing area，the content of total alkaloid，total nitrogen and free amino acid and ratio of nitrogen to nicotine were at right levels，and carbohydrate content indices were higher than the appropriate range while the content of potassium and chlorine were lower. [Conclusion] Tobacco chemical composition suitability of A kind tobacco growing area is the best.

Key words Flue-cured tobacco；Ecological environment；Chemical composition

化學成分协调性是评价烟叶品质的重要手段，已成为卷烟工业企业原料质量控制和质量目标设定[1-2]的重要内容。烟叶化学成分除受栽培和烘烤等因素影响外，还受海拔、降雨、日照等生态因子的影响。对于不同生态环境与烟叶化学成分的相关性已有大量研究[3-6]。王建伟等[7]分析了不同移栽期条件下烤烟主要生育期气象条件的变化和烤后烟叶主要化学成分的差异，并对两者的相关性进行了分析，结果发现，总氮与日照时数呈负相关，而碳水化合物与日照时数呈正相关，与降雨量呈负相关；石俊雄等[8]通过逐步回归，综合分析海拔、气象、土壤等生态因素对烟叶化学成分的影响，发现日照时数与还原糖、总糖、淀粉和钾含量呈正相关，与总植物碱和总氮含量呈负相关，降水量与总糖、还原糖、总植物碱和氯含量呈负相关；李亚飞等[9]认为海拔与烟叶主要含氮化合物含量呈负相关，与烟叶主要含碳化合物呈正相关；李洪勋[10]、穆彪等[11]认为，总植物碱含量和总氮含量均随海拔升高而降低。

洛阳市位于河南西部，属于黄淮烟草种植一级区和豫西丘陵山地烤烟二级区，是烤烟种植适宜区和次适宜区[12]，由于洛阳市地处我国第二阶梯与第三阶梯交界带，丘陵和山地面积较多，生态环境复杂。笔者以洛阳市降水、日照和海拔信息为依据，对其主烟区生态环境进行聚类，并分析不同生态环境烟叶的化学成分差异性及适宜性，以期为洛阳市烟区以品牌为导向改善烟叶品质、实现烤烟的优质适产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 自然条件信息和样品来源

洛阳市主烟区（64个烟站）的自然条件（降雨量、日照时数、海拔）信息由洛阳市气象局提供。2015年我国主产区C3F等级烟叶化学成分数据摘自2015年版中国烟叶质量白皮书（由中国烟叶公司、中国烟草总公司郑州烟草研究院发布）。

抽取洛阳市34个烟站的初烤烟叶样品进行化学成分检测，等级为C3F，每样品3 kg，品种为当地主栽品种，具体抽样点：洛宁（杨坡烟站、兴华烟站、长水烟站、罗岭烟站、山底收购点、下峪烟站、东宋烟站）；宜阳（盐镇烟站、柳泉烟站、三乡烟站、白杨烟站、上观收购点、莲庄收购点、赵保烟站、董王庄烟站、高村烟站、穆册收购点）；汝阳（刘店烟叶工作站、上店收购点、蔡店烟叶工作站、柏树烟叶工作站）；嵩县（旧县烟站、大坪烟站、闫庄烟站、田湖烟站、饭坡烟站、九店烟站）；伊川（吕店烟站、鸣皋烟站、酒后烟站、葛寨烟站）；新安（铁门烟站、李村烟站、曹村烟站）。

1.2 烟叶化学成分的测定

按照YC/T 160—2002、YC/T 161—2002、YC/T 159—2002、YC/T 162—2002、YC/T 173—2003方法测定烟叶总植物碱、总氮、还原糖、氯、钾含量；按照YC/T 31—1996方法测定游离氨基酸含量，包括标准中规定的天门冬氨酸、谷氨酸、脯氨酸等21种氨基酸；按照高氯酸萃取-碘比色法（根据YC/T 216—2007及Mohapatra[13]的方法）测定烟叶淀粉含量；运用推算法得出糖碱比（还原糖/总植物碱）、氮碱比（总氮/总植物碱）、钾氯比（钾/氯）。

1.3 数据处理 采用SPSS 19.0软件对试验数据进行描述性统计、聚类分析及方差分析。

2 結果与分析

2.1 烟叶化学成分

由表1、2可知，与2015年我国主产区C3F等级烟叶化学成分含量相比，洛阳市烟叶总植物碱和总氮含量中等略低；还原糖、总糖含量中等，且样品间变异较小，95%置信区间分别为27.12%～28.81%、31.21%～33.10%；淀粉含量中等略高，钾含量较低；样品间的氯含量、钾氯比和糖碱比变异较大，95%置信区间为分别为0.23%～0.32%、4.75～6.82、14.45～18.42；氮碱比中等，95%置信区间为0.83～0.97。除上述常见指标外，游离氨基酸也是烟草中重要的含氮化合物，研究表明，烟叶中共存在43种氨基酸，常见的有20种，总量在2.00～10.00 mg/g，洛阳市烟叶游离氨基酸总量中等略高，95%置信区间为7.89～9.36 mg/g。

2.2 生态环境聚类分析

以降雨量、日照时数和海拔作为变量，采用平方欧氏距离来衡量洛阳主要烟区自然条件差异，用最短距离法对各烟站的气候条件进行聚类分析，64个烟站在平方欧氏距离为15.0处被划分为4类不同的小生态环境烟区（A、B、C和D类），结果见图1和表3。

A类包含24个烟站，包括新安县、宜阳县大部分地区及整个汝阳县，其自然条件主要表现：多雨寡照，年降雨量在640.00 mm以上，平均656.80 mm，年日照时数2 068.00 h以下，平均2 038.82 h；海拔中等偏低，多数在350.00～500.00 m，平均海拔413.88 m。

B类包含9个烟站，包括伊川县、孟津县部分区域和洛宁县小部分区域，其自然条件主要表现：雨量中等，年均降雨量631.41 mm；日照较长，年日照时数2 181.00 h以上，平均 2 221.20 h；海拔较低，多数海拔330.00 m以下，平均海拔292.56 m。

C类包含21个烟站，包括伊川县、孟津县、洛宁县部分区域以及整个嵩县，其自然条件主要表现：雨量中等，平均年降雨量632.08 mm；日照较长，年日照时数2 181.00 h以上，平均2 205.50 h；海拔中等偏高，为400.00～590.00 m，平均海拔490.67 m。

D类包含10个烟站，包括宜阳、新安小部分区域以及洛宁县部分区域，其自然条件主要表现：雨量较少，平均年降雨量605.03 mm；日照中等，年日照时数2 068.00～2 181.00 h，平均2 154.46 h；海拔较高，590.00 m以上。

综上所述，洛阳市各植烟区的自然条件具有一定差异，聚类分析将其划分为4类小生态环境。不同生态环境可能会影响烟叶化学成分，因此，进一步分析不同小生态环境间烤烟烟叶的化学成分差异性。

2.3 不同生态环境间烟叶化学成分比较

依据自然条件聚类分析的结果，将34个烟叶样品划分至相应的类别，测定其主要化学成分含量，分析不同生态环境间烟叶化学成分差异，并评价化学成分的适宜性，结果见表4。

2.3.1 含氮化合物。

总植物碱和总氮含量是烤烟常用的含氮化合物指标，总氮含量反映烟叶田间营养状况和内在化学成分协调性，总植物碱决定了卷烟烟气的劲头，优质烤烟总氮、总植物碱在1.5%～3.5%，以2.5%最优[15]。由表4可知，洛阳市4类烟区的总植物碱、总氮含量均在适宜范围内，其中A类烟区总植物碱和总氮含量接近最适值。A类烟区总植物碱含量最高，D类烟区最低，且二者间差异显著；4类烟区间总氮含量无显著差异。

游离氨基酸也是烟草中一类非常重要的含氮化合物，若烟叶中游离氨基酸含量太高，烟气辛辣、味苦，刺激性强烈，若含量太低，烟气则平淡无味，缺少丰满度[16-17]。洛阳市烤烟烟叶游离氨基酸含量最高的是A类烟区，C类次之，B类、D类含量最低，但4个烟区间差异不显著。

2.3.2 碳水化合物。

还原糖和总糖含量是烤烟重要的碳水化合物指标，还原糖和总糖含量适宜，烟叶品质好，叶片柔软，弹性好，色泽鲜亮[18]。优质烤烟总糖含量在20%～26%，还原糖含量在18%～25%[15]。由表4可知，洛阳市4类烟区碳水化合物指标均偏高，且均高出适宜范围的上限，会导致烟叶吸味平淡，香气不足[19]。还原糖含量最高的为A类烟区，总糖含量最高的为D类烟区，还原糖、总糖含量最低的均为B类烟区，4类烟区间碳水化合物指标间差异未达显著水平。

淀粉在烟叶燃烧时对烟气质量产生不良影响，一般认为烟叶淀粉含量越低越好，优质烤烟的淀粉含量应低于3.5%[20]。4类烟区淀粉含量均大于3.5%，含量最低的为A类烟区，最高的为C类烟区，但差异不显著。

2.3.3 其他化学成分。钾影响烟叶的燃烧性，优质烤烟钾含量一般不低于2%[15]，由表4可知，洛阳市4类烟区钾含量偏低，均低于2%，各烟区间钾含量差异不显著。

烤烟氯含量在0.4%～0.8%较为适宜[15]，氯含量太低则烟叶易碎，太高则燃烧性变差。4类烟区烟叶氯含量均低于适宜范围的下限，其中A类烟区烟叶氯含量最高，为0.35%，接近适宜范围下限，B类、D类烟区烟叶氯含量显著低于A类烟区烟叶。

2.3.4 化学成分派生值。

钾氯比是衡量烟叶燃烧性的重要指标，优质烤烟的钾氯比为4～10[15]。洛阳市4类烟区烟叶钾氯比均在适宜范围内，其中D类最高，A类最低，二者间差异显著。

糖碱比反映烟气的酸碱平衡关系，优质烤烟的糖碱比应在8～10。4类烟区烟叶糖碱比均超过最适范围，其中B类、D类烟区远超出最适范围上限。A类烟区烟叶糖碱比最低，且显著低于D类烟区。

氮碱比是衡量烟叶含氮化合物转化率的重要指标，优质烤烟氮碱比应在1左右。4类烟区烟叶氮碱比均接近最适值，其中D类最高，A类最低，二者间差异显著。

3 结论与讨论

（1）与2015年我国主产区C3F等级烟叶化学成分含量相比，洛阳市烟区烟叶的总植物碱、总氮和钾含量较低，淀粉和游离氨基酸含量略高，样品间氯含量、钾氯比和糖碱比的变异较大。

（2）依据自然条件可将洛阳烟区可划分为A类（多雨寡照，中偏低海拔）、B类（雨量中等，长日照，低海拔）、C类（雨量中等，长日照，中偏高海拔）、D类（少雨，日照中等，高海拔）4类小生态环境烟区。A类和D类烟区降雨、日照和海拔均有较大差异，二者自然条件差异较大；B类和C类烟区除海拔差异外，降雨和日照均较为接近，总体自然条件差异较小。不同小生态环境间烟叶化学成分有一定差异，其中以总植物碱、氯以及3类派生值指标差异最为显著：A类烟区烟叶的总植物碱含量显著高于D类，氯含量显著高于B类和D类，D类烟区烟叶的钾氯比、糖碱比和氮碱比均显著高于A类烟区。戴冕[21]研究發现，水对烟叶总植物碱积累起主导作用，温和热仅起辅助作用，该研究中总植物碱含量高的A类烟区降雨量大，总植物碱含量低的B类烟区降雨量小，这与其研究结果一致。

（3）化学成分适宜性方面，A类烟区烟叶化学成分适宜性最好，其氮素相关的指标（总植物碱、总氮和氮碱比）均在适宜范围内，且最接近最适值，此外A类烟区烟叶的氯含量最接近适宜范围；B类、C类和D类烟区化学成分适宜性相对较差。整体来看，洛阳市各烟区烟叶的总植物碱、总氮含量适宜，氮碱比适中，因此烟叶经卷制后劲头较好，且烟叶游离氨基酸含量均相对较高，这对增进烟叶品质、提高香吃味有利。4类产区烟叶存在的问题也较为相似：碳水化合物含量高出适宜范围，糖碱比例不协调，钾、氯含量偏低，这与孙建锋等[22]研究结果较为一致。因此，在今后烟叶生产时应注意：烘烤时适当延长变黄期时间，使淀粉较多地降解，让糖类充分地参与到美拉德反应中[23]，以降低糖、淀粉含量，增加香气物质的积累；栽培期应适当增施或适时补施钾肥，并注意氮、磷、钾肥平衡，促进烟株对钾的吸收；根据需要，在烟株生长期适当补氯。

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